综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法与流程

本发明涉及综合能源系统经济运行
技术领域：
，尤其涉及一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法。
背景技术：
：近年来，随着社会经济迅速发展，化石能源的大规模使用导致了传统能源枯竭、环境污染和全球气候恶化等一系列问题。因此，研究清洁高效的可持续能源系统成为了解决问题的必然选择。多能互补的能源互联形式借助传统化石能源和可再生能源之间的互补转换提高了能源可利用率，弥补了各能源单独规划，单独运行的系统的不足；同时，信息系统的发展也使得电、气、热等多种形式的能量流和信息流在整体运行规划时有着更强的耦合关系。多能源的协同规划和调度问题逐渐成为了当前的研究热点，多能源系统将发展迅速并得到广泛应用。快速发展的信息通信、控制和能源技术的融合与能源短缺、环境污染等问题的出现催生了新型能源利用体系—能源互联网。综合能源系统是能源互联网在物理层面上的主要载体，能量枢纽即为综合能源系统的主要集成表现形式。现有研究对包含需求响应的综合能量系统能量枢纽的优化运行做了积极的探索，通常考虑单个能量枢纽的建模，对能量枢纽合作形式和枢纽内能量流方向分析较少；同时，对于能源系统带来的环境问题，发展清洁能源和减少温室气体排放是未来能源系统发展的必要形式，考虑其他温室气体对多能源优化的影响研究较少；已有研究表明，储能装置虽然在可再生能源的接入起到了重要的作用，但其仍然存在着排放的弊端；大量的电动汽车和储能设备接入电网，是良好的需求响应实施主体，可以起到削减用电高峰的作用。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，在综合能源系统的背景下考虑了多个能量枢纽互联的模式，适应绿色低碳的能源系统发展要求，合理分配合作下的成本和效益，对合作稳定性具有积极作用。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，包括多能量枢纽合作优化运行策略及基于博弈理论的成本效益分配方法，具体包括以下步骤：步骤1、基于综合能源系统的概念，提出多能量枢纽互联合作的系统架构和各能量枢纽内部结构，分析系统运营模式：步骤1.1、多能量枢纽系统的优化运行的能源供应侧有光伏发电、燃气轮机和电网购电满足枢纽内负荷需求，多能量枢纽系统采用电气联供形式，负荷侧可参与调度的的弹性负荷参与需求响应，可调度的负荷包括电动汽车和制冷空调，每个能量枢纽配备储电设备以提高系统运行经济性；步骤1.2、对能量枢纽内能量流向做出限制，目的是减少线路改造支出；步骤2、建立多能量枢纽数学模型，确定目标函数及优化运行约束条件：步骤2.1、建立能量生产设备、储电设备和弹性负荷运行的数学模型；多能量枢纽外部接入电网和天然气网，能量枢纽内部的能量产生设备为燃气轮机和光伏发电设备；燃气轮机的输出功率表达式为；其中，为第i个能量枢纽在t时刻燃气轮机的电功率；为第i个能量枢纽在t时刻的燃气消耗量；λgas为天然气热值；△T为调度时段时长；光伏输出功率表达式为：其中，是第i个能量枢纽的光伏在t时刻的输出功率；ηGT、ηpv分别为燃气轮机和光伏的发电效率；Si和I分别为第i个能量枢纽光伏辐射面积和强度；θtout为t时刻的室外气温；储电设备根据分时电价的引导，通过在用电低谷时段充电，在用电高峰时段放电，其荷电状态的表达式为：其中，为第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的荷电状态，和分别为第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的充电功率和放电功率，ηES.ch和ηES.dis为储电设备的充电效率和放电功率，ΩESi为储电设备的容量；电动汽车通过接受调度中心的指令调整自身充电时段和充电功率，其荷电状态表达式为：其中，电动汽车k在t时刻的荷电状态；为电动汽车k在t时刻的充电功率；为电动汽车k的充电效率；为电动汽车k的电池容量；其中，为t时刻第i个能量枢纽的室内温度；τ＝R·C，R为建筑物的等效热阻，C为空气的比热容；为第i个能量枢纽在t时刻制冷机输出的冷功率；步骤2.2、确定多能量枢纽合作后以多能量枢纽合作后购买能源费用与污染物排放成本之和最小为目标的目标函数及各类污染物排放的计算模型，各类污染物包括二氧化碳、氮氧化物和SOx；以多能量枢纽合作后购买能源费用与污染物排放成本之和最小为目标，其目标函数为：minC＝CG+CP+F其中，CG为能量枢纽的总购买天然气成本、CP为能量枢纽购买电力的成本减去售电费用、F表示能量枢纽上交的污染物排放费用成本πG、πTOU和πS分别为购气价格、购电价格和售电价格；和分别为第i个能量枢纽在t时刻的购电功率和售电功率；和分别为污染物交易市场的超出部分的二氧化碳排放价格和其他污染物的排放价格，其他污染物包括氮氧化物和SOx；和分别为第i个能量枢纽在t时刻的碳交易配额、总碳排放量和其他污染物的实际排放量；多能量枢纽总碳排放量为：其中，为第i个能量枢纽在t时刻能源供应中实际的碳排放总量，表示储能设备在第i个能量枢纽在t时刻碳排放量，EPG、EGT、EP、EG和ES分别为电网、燃气轮机、电力、天然气和储能的单位碳排放系数；电力消耗和天然气消耗产生的氮氧化物和SOx的排放的表达式为：其中，分别为消耗电力时的氮氧化物和SOx的单位温室气体排放量系数；分别为消耗天然气时的氮氧化物和SOx的单位温室气体排放量系数；步骤2.3、确定系统运行约束、电动汽车约束、储电设备约束、用户期望约束和功率平衡约束条件；系统运行约束为：其中，分别表示燃气轮机输出功率的上限、燃气轮机消耗天然气量的上限和燃气轮机的爬坡上限；电动汽车约束为：其中，分别表示第k辆电动汽车的荷电状态上、下限；表示t时刻第k辆电动汽车的功率；和分别为电动汽车k接入和断开第i个能量枢纽充电桩的时刻，两者限定了电动汽车的可调度时段；Sdep.k为可以满足出行距离的SOC值；Sk.min为第k辆电动汽车荷电状态的最小值；dk.max为最大续航里程；PkEV.max为第k辆电动汽车输出功率的最大值；储电设备约束为：其中，分别表示储电设备荷电状态的最小值和最大值；和分别表示第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的充电状态和放电状态的二进制变量；分别表示第i个能量枢纽中储电设备充电功率的最大值和放电功率的最大值；分别表示在第i个能量枢纽中储电设备在第1时刻和最末时刻T的荷电状态；用户期望约束为：其中，表示t时刻的室内温度；分别表示用户期望的舒适室内温度的最小值和最大值；功率平衡约束为：其中，分别表示第i个能量枢纽中t时刻的售电功率、基本电负荷和电制冷机输出功率；为第i个能量枢纽在t时刻电制冷机的输出的冷功率，COPEC为电制冷机的制冷系数；步骤3、分析多能量枢纽合作运营模式的成本与效益，设计成本计算模型和效益计算方法；步骤3.1、建立多能量枢纽系统实行多主体合作运营模式和多能互补策略所增加的成本计算模型，如下式所示，其中，CM表示多能量枢纽合作运行和实行优化策略所增加的成本；Lpv、Lgas和LES分别为光伏发电、燃气轮机发电和储能装置的平准化成本，Ai为第i个能量枢纽的加班成本；步骤3.2、分析综合能源系统多主体合作实行优化运行策略所获得的效益计算方法，效益来源于用户侧负荷和储电装置响应转移的电量所节省的费用、清洁能源优化运行节省的电量费用、多余电量上网的售电费用和减少的排放费用；步骤4、分配多主体合作运营模式所增加的成本和效益；步骤4.1、建立多主体合作博弈模型，根据联盟内各主体对整体贡献，采用Shapley值法确立分配策略；多主体参与合作运营后所增加的集体利益或成本称为合作剩余，其计算式如下；其中，S表示联盟；v(S)表示合作剩余；c(S)表示参与合作后的成本或效益；联盟由n个主体参与博弈，博弈者的集合为A＝{a1,a2,…,an}，bj是博弈者aj参与合作前的成本或效益；各主体分摊的成本和效益是其对合作边际贡献的期望，其计算式如下：其中，博弈者j参与合作边际贡献的期望值；w(Sj)是形成S的概率；v(Sj)表示包含博弈者j的联盟的合作剩余；Sj-{aj}是联盟S中除去主体aj后剩余联盟；v(Sj-{aj})表示除去主体aj后的联盟的合作剩余；步骤4.2、设计分裂倾向分析指标，确定各主体在实行分配策略下的倾向性；如果所设计的分裂倾向指标小于1，则表示各个参与合作的主体倾向于合作运营；Littlechild/Vaidya所设计的分裂倾向可由下式计算得到；其中，各主体的分配值为x＝(x1,x2,…,xn)，且x(S)表示∑j∈Sxj；改进的分裂倾向指标如下：dj的值小于1时，主体倾向于接受此分配策略；步骤5、结合MATLAB环境下的YALMIP语言调用gurobi求解器得到多能量枢纽优化运行模型的解，并通过合作博弈得到参与合作的各主体的成本效益分配值。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，多能源枢纽采用电气联供的供能方式和需求响应的负荷调度策略，考虑污染物排放费用，提出包含可再生能源发电、储电设备和集群电动汽车的多能量枢纽互联合作模式，在综合能源系统的背景下考虑多个能量枢纽互联的模式；充分利用了电动汽车、空调制冷和储能装置在需求侧的响应作用；实现能量枢纽间的互动，以减少合作后的总运营成本，提高了能源系统的经济性，将污染物排放费用加入优化运行目标中，适应绿色低碳的能源系统发展要求。研究综合能源系统的多主体合作模式下各主体合作前后的成本效益计算模型，依据各主体对合作联盟的贡献，采用合作博弈方法中的Shapley值法分配多主体合作运营模式下的成本效益，并设计指标验证了参与合作的倾向性，通过构建改进的分裂倾向指标验证了分配方法对合作稳定性的积极作用。附图说明图1为本发明实施例提供的综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法的流程图；图2为本发明实施例提供的多能量枢纽合作运营结构图；图3为本发明实施例提供的各能量枢纽内部结构图；图4为本发明实施例提供的典型日的太阳辐射强度和室外温度图；图5为本发明实施例提供的三个能量枢纽在典型日的电负荷变化和分时电价图；图6为本发明实施例提供的多能量枢纽优化运行结果。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本实施例以三个能量枢纽合作为例，由电-气联供的一个商业园区的中心能量枢纽和两个居民社区的附属能量枢纽组成，调度周期为一天，实行综合能源系统多能量枢纽合作优化运行策略并采用Shapley值法对成本效益进行分配。本实施例提供的综合能源系统多能量枢纽合作优化运行策略及基于博弈理论的成本效益分配方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1、基于综合能源系统的概念，提出多能量枢纽互联合作的系统架构和各能量枢纽内部结构，分析系统运营模式：步骤1.1、多能量枢纽系统的优化运行的能源供应侧有光伏发电、燃气轮机和电网购电满足枢纽内负荷需求，多能量枢纽系统采用电气联供形式，负荷侧可参与调度的的弹性负荷参与需求响应，可调度的负荷包括电动汽车和制冷空调，每个能量枢纽配备储电设备以提高系统运行经济性；步骤1.2、对能量枢纽内能量流向做出限制，目的是减少线路改造支出。储电装置放电只可以承担一部分基本电力负荷，不可制冷和对电动汽车充电，光伏发电的过剩电量可以出售给电网，并收取一定的费用，而储能、燃气轮机产生的电能不能卖给电网，这是为了减少改造线路的支出和鼓励用户建设新能源发电使用清洁能源。步骤2、建立多能量枢纽数学模型，确定目标函数及优化运行约束条件：步骤2.1、建立能量生产设备、储电设备和弹性负荷运行的数学模型；本实施例中，多能量枢纽外部接入电网和天然气网，能量枢纽内部的能量产生设备为燃气轮机和光伏发电设备；燃气轮机的输出功率表达式为；其中，为第i个能量枢纽在t时刻燃气轮机的电功率；为第i个能量枢纽在t时刻的燃气消耗量；λgas为天然气热值；△T为调度时段时长；光伏输出功率表达式为：其中，是第i个能量枢纽的光伏在t时刻的输出功率；ηGT、ηpv分别为燃气轮机和光伏的发电效率；Si和I分别为第i个能量枢纽光伏辐射面积和强度；θtout为t时刻的室外气温；储电设备根据分时电价的引导，通过在用电低谷时段充电，在用电高峰时段放电，起到节省能源支出和削峰填谷的作用，其荷电状态的表达式为：其中，为第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的荷电状态，和分别为第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的充电功率和放电功率，ηES.ch和ηES.dis为储电设备的充电效率和放电功率，ΩESi为储电设备的容量；电动汽车通过接受调度中心的指令调整自身充电时段和充电功率，其荷电状态表达式为：其中，电动汽车k在t时刻的荷电状态；为电动汽车k在t时刻的充电功率；为电动汽车k的充电效率；为电动汽车k的电池容量；其中，为t时刻第i个能量枢纽的室内温度；τ＝R·C，R为建筑物的等效热阻，C为空气的比热容；为第i个能量枢纽在t时刻制冷机输出的冷功率；步骤2.2、确定多能量枢纽合作后以多能量枢纽合作后购买能源费用与污染物排放成本之和最小为目标的目标函数及各类污染物排放的计算模型，各类污染物包括二氧化碳、氮氧化物和SOx；本实施例的控制中心以多能量枢纽合作后购买能源费用与污染物排放成本之和最小为目标，其目标函数为：minC＝CG+CP+F其中，CG为能量枢纽的总购买天然气成本、CP为能量枢纽购买电力的成本减去售电费用、F表示能量枢纽上交的污染物排放费用成本πG、πTOU和πS分别为购气价格、购电价格和售电价格；和分别为第i个能量枢纽在t时刻的购电功率和售电功率；和分别为污染物交易市场的超出部分的二氧化碳排放价格和其他污染物的排放价格，其他污染物包括氮氧化物和SOx；和分别为第i个能量枢纽在t时刻的碳交易配额、总碳排放量和其他污染物的实际排放量；多能量枢纽总碳排放量为：其中，为第i个能量枢纽在t时刻能源供应中实际的碳排放总量，表示储能设备在第i个能量枢纽在t时刻碳排放量，EPG、EGT、EP、EG和ES分别为电网、燃气轮机、电力、天然气和储能的单位碳排放系数；本实施例考虑电力消耗和天然气消耗产生的氮氧化物和SOx的排放，其表达式为：其中，分别为消耗电力时的氮氧化物和SOx的单位温室气体排放量系数；分别为消耗天然气时的氮氧化物和SOx的单位温室气体排放量系数；步骤2.3、确定系统运行约束、用户期望约束和功率平衡约束条件；系统运行约束为：其中，分别表示燃气轮机输出功率的上限、燃气轮机消耗天然气量的上限和燃气轮机的爬坡上限；电动汽车约束为：其中，分别表示第k辆电动汽车的荷电状态上、下限；表示t时刻第k辆电动汽车的功率；和分别为电动汽车k接入和断开第i个能量枢纽充电桩的时刻，两者限定了电动汽车的可调度时段；Sdep.k为可以满足出行距离的SOC值；Sk.min为第k辆电动汽车荷电状态的最小值；dk.max为最大续航里程；PkEV.max为第k辆电动汽车输出功率的最大值；储电设备约束为：其中，分别表示储电设备荷电状态的最小值和最大值；和分别表示第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的充电状态和放电状态的二进制变量；分别表示第i个能量枢纽中储电设备充电功率的最大值和放电功率的最大值；分别表示在第i个能量枢纽中储电设备在第1时刻和最末时刻T的荷电状态；用户期望约束为：其中，表示t时刻的室内温度；分别表示用户期望的舒适室内温度的最小值和最大值；功率平衡约束为：其中，分别表示第i个能量枢纽中t时刻的售电功率、基本电负荷和电制冷机输出功率；为第i个能量枢纽在t时刻电制冷机的输出的冷功率，COPEC为电制冷机的制冷系数。步骤3、分析多能量枢纽合作运营模式的成本与效益，设计成本计算模型和效益计算方法；步骤3.1、建立多能量枢纽系统实行多主体合作运营模式和多能互补策略所增加的成本计算模型，如下式所示，其中，CM表示多能量枢纽合作运行和实行优化策略所增加的成本；Lpv、Lgas和LES分别为光伏发电、燃气轮机发电和储能装置的平准化成本，Ai为第i个能量枢纽的加班成本；步骤3.2、分析综合能源系统多主体合作实行优化运行策略所获得的效益计算方法，实行优化运行策略之后的效益来源于用户侧负荷和储电装置响应转移的电量所节省的费用、清洁能源优化运行节省的电量费用、多余电量上网的售电费用和减少的排放费用。步骤4、分配多主体合作运营模式所增加的成本和效益；步骤4.1、建立多主体合作博弈模型，根据联盟内各主体对整体贡献，采用Shapley值法确立分配策略；多主体参与合作运营后所增加的集体利益或成本称为合作剩余，其计算式如下；其中，S表示联盟；v(S)表示合作剩余；c(S)表示参与合作后的成本或效益；联盟由n个主体参与博弈，博弈者的集合为A＝{a1,a2,…,an}，bj是博弈者aj参与合作前的成本或效益；各主体分摊的成本和效益是其对合作边际贡献的期望，其计算式如下：其中，博弈者j参与合作边际贡献的期望值；w(Sj)是形成S的概率；v(Sj)表示包含博弈者j的联盟的合作剩余；Sj-{aj}是联盟S中除去主体aj后剩余联盟；v(Sj-{aj})表示除去主体aj后的联盟的合作剩余；步骤4.2、设计分裂倾向分析指标，确定各主体在实行分配策略下的倾向性；如果所设计的分裂倾向指标小于1，则表示各个参与合作的主体倾向于合作运营；Littlechild/Vaidya所设计的分裂倾向可由下式计算得到；其中，各主体的分配值为x＝(x1,x2,…,xn)，且x(S)表示∑j∈Sxj；改进的分裂倾向指标如下：dj的值小于1时，主体倾向于接受此分配策略。步骤5、结合MATLAB环境下的YALMIP语言调用gurobi求解器得到多能量枢纽优化运行模型的解，并通过合作博弈得到参与合作的各主体的成本效益分配值。本实施例中，如图2所示，为多能量枢纽合作运营结构图，各能量枢纽内部结构如图3所示，初始数据包括如图4所示的典型日的太阳辐射强度和室外温度图、如图5所示的三个能量枢纽在典型日的电负荷变化和分时电价图、如表1所示的各能量枢纽规模参数。表1光伏Si/m2GT/MWES/MW社区枢纽113502.51.2社区枢纽2135000.8社区枢纽3450052系统包含光伏、燃气轮机、储电装置、电制冷空调和200辆相同规格的电动汽车，其电池容量为18kw，到达和离开枢纽的时间服从在社区能量枢纽中，电动汽车在7:00-17:00期间不参与调度；初始SOC值服从出行距离服从且dk，max均100km。初始室内温度为26℃，初始储电装置的SOC值为0.3；结合MATLAB环境下的YALMIP语言调用gurobi求解，结果如图6所示；多种能源呈现出互补优势，光伏发电高峰的过剩电力出售给了电网，储电装置调整了充放电策略；电动汽车根据转移了充电需求，在社区枢纽只在夜间充电，离开三个枢纽时均能达到出行需求；考虑污染物交易市场前后的碳排放量和其他污染物排放量后分别减少了1.68％和1.41％，验证了优化策略的减排效果；成本效益分配结果如表2所示，Shapley值法的分配策略的各能量枢纽的分裂倾向指标均小于1，各主体倾向于接受该分配策略；可以看出本分配方法是有效的。表2社区枢纽1社区枢纽2中心枢纽3合计成本分配/元6310.544335.6018167.8328813.97效益分配/元8558.367032.3325522.9941113.68净利润/元2247.822696.737355.1612299.71最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。当前第1页1 2 3